探究多层Nb-Ti、Ni-Ta和Ag-Ta纳米多层膜力学性能

论文导读：2.4扫描电子显微镜232.2.5透射电子显微镜232.3纳米压痕测试23-262.3.1纳米压痕测量原理24-252.3.2连续刚度测试25-262.4电学性能测试26-28第3章Nb/Ti多层膜的力学性能28-453.1Nb/Ti多层膜的设计28-293.2Nb/Ti多层膜的制备293.3Nb/Ti多层膜的热处理293.4Nb/Ti多层膜的测试结果29-413.

4.1薄膜厚度测试与元素成

摘要：本论文制备了Nb-Ti、Ni-Ta和Ag-Ta三种系统的多层膜，并通过多种实验手段浅析了其力学性能随调制周期变化的规律；通过与文献中类似的系统进行比较，讨论了模量差别、混合热和协调应力等因素对不同系统多层膜硬度提升的作用。Nb/Ti多层膜采取磁控溅射的策略制备，其硬度随着调制周期的减小先上升后下降，在周期为10nm时硬度达到最大，比长周期的样品高出了约10%。文献报道的V-Ti系统多层膜（协调应力大）与Nb-Ti系统（模量差别大）同为bcc-hcp结构，它们给出了类似的硬度变化走势，但前者的硬度却提升了80%，表明在bcc-hcp结构的多层膜中，协调应力的强化作用比模量错配对硬度的贡献更加显著。Nb/Ti多层膜在一定真空度的退火后，多层膜的硬度提升了80%。浅析表明，膜层中渗透了氧元素，并以弥散分布的氧化物形式有着于Nb中，以及间隙原子形式有着于Ti中。这导致了多层膜的硬度较大的提升，但退火并没有显著转变多层膜的电阻率。Ni/Ta和Ag/Ta多层膜都是采取电子束蒸发的方式制备的。实验测得的多层膜硬度值都位于混合平均值以下，这是由于两个系统均有较大的强度错配，塑性形变容易在较软的金属层中发生（与Ta层相比，Ag或Ni层较软）。与长周期多层膜相比，随着调制周期的减小，Ni/Ta多层膜的硬度提升了16%，而Ag/Ta提升了121%。在两个系统中均观察到，在某些局部区域Ta不同程度地穿入到较软的Ag层或Ni层中，并且界面处含有少量的非晶结构。这种结构将随调制周期的减小而增加，它阻碍了塑性形变在较软金属层进行，以而提升了多层膜的硬度。由于Ni-Ta系统的混合热为负值，周期为4nm的Ni/Ta多层膜完全非晶化，并且形成了特殊的柱状结构，使得它的硬度有所下降。对于混合热为正的Ag/Ta多层膜，其在4nm调制周期下仍为多晶结构，并仍呈现出硬度的提升。通过与文献报道的Ag/Nb多层膜的综合比较，我们认为，正的混合热有助于强度错配较大fcc-bcc多层膜在小周期下的硬度提升。关键词：纳米多层膜论文力学性能论文Nb/Ti论文Ni/Ta论文Ag/Ta论文
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Abstract4-9
第1章 引言9-19

1.1 纳米薄膜材料9

1.2 纳米多层膜介绍9-11

1.3 纳米多层膜的力学性能11-18

1.3.1 探讨进展12-14

1.3.2 主要论述14-18

1.4 本论文的探讨思路与内容18-19

第2章 实验策略19-28

2.1 多层膜制备19-21

2.

1.1 基片选择与处理19

2.

1.2 磁控溅射19-20

2.

1.3 电子束蒸发20-21

2.2 多层膜结构浅析21-23

2.1 X 射线荧光谱浅析21-22

2.2 X 射线衍射浅析22

2.3 俄歇电子探针22-23

2.4 扫描电子显微镜23

2.5 透射电子显微镜23

2.3 纳米压痕测试23-26

2.3.1 纳米压痕测量原理24-25

2.3.2 连续刚度测试25-26

2.4 电学性能测试26-28

第3章 Nb/Ti 多层膜的力学性能28-45

3.1 Nb/Ti 多层膜的设计28-29

3.2 Nb/Ti 多层膜的制备29

3.3 Nb/Ti 多层膜的热处理29

3.4 Nb/Ti 多层膜的测试结果29-41

3.4.1 薄膜厚度测试与元素成分浅析29-30

3.4.2 小角度 X 射线衍射30-32

3.4.3 高角度 X 射线衍射32-35

3.4.4 SEM 形貌观察35-37

3.4.5 AES 元素浅析37-38

3.4.6 表面电阻率测试38-39

3.4.7 力学性能测试39-41

3.5 Nb/Ti 多层膜实验结果浅析41-44

3.5.1 制备态 Nb/Ti 多层膜的力学性能浅析41-42

3.5.2 退火态 Nb/Ti 多层膜的力学性能浅析42-44

3.5.3 Nb/Ti 多层膜的热稳定性44

3.6 本章小结44-45

第4章 Ni/Ta 多层膜的力学性能45-60

4.1 Ni/Ta 多层膜的设计45

4.2 Ni/Ta 多层膜的制备45-46

4.3 Ni/Ta 多层膜的测试结果46-54论文导读：.2高角度X射线衍射47-494.3.3TEM截面形貌观察49-534.3.4力学性能测试53-544.4Ni/Ta多层膜实验结果浅析54-594.4.5硬度变化机制56-584.4.6弹性模量变化机制58-594.5本章小结59-60第5章Ag/Ta多层膜的力学性能60-715.1Ag/Ta多层膜的设计60-615.2Ag/Ta多层膜的制备615.3Ag/Ta多层膜的测试结果61-655.3.1小角

4.

3.1 小角度 X 射线衍射46-47

4.

3.2 高角度 X 射线衍射47-49

4.

3.3 TEM 截面形貌观察49-53

4.

3.4 力学性能测试53-54

4.4 Ni/Ta 多层膜实验结果浅析54-59

4.5 硬度变化机制56-58

4.6 弹性模量变化机制58-59

4.5 本章小结59-60

第5章 Ag/Ta 多层膜的力学性能60-71

5.1 Ag/Ta 多层膜的设计60-61

5.2 Ag/Ta 多层膜的制备61

5.3 Ag/Ta 多层膜的测试结果61-65

5.

3.1 小角度 X 射线衍射61-62

5.

3.2 高角度 X 射线衍射62-63

5.

3.3 TEM 截面形貌观察63-65

5.

3.4 力学性能测试65

5.4 Ag/Ta 多层膜实验结果浅析65-69

5.5 本章小结69-71

第6章 结论71-73
参考文献73-80
致谢80-82
个人简历、在学期间发表的学术论文与探讨成果82